基于果品介電特性的無損檢測技術研究綜述

周世平，張海紅，李海峰，馬奇虎

（寧夏大學農學院，寧夏銀川750021）

基于果品介電特性的無損檢測技術研究綜述

周世平，張海紅*，李海峰，馬奇虎

（寧夏大學農學院，寧夏銀川750021）

無損檢測技術已成為果品品質檢測的趨勢。本文對基于介電特性的果品無損檢測最新研究進行了綜述，比較了常用測試技術及條件，分析了影響果品介電特性參數的頻率、溫度、貯藏時間等外界因素，比較了果品的成熟度、硬度、成分等內在因素對果品電參數的影響，并且指出了該領域的研究動向，為今后該技術的進一步的研究應用提供了借鑒。

果品；介電特性；無損檢測

果品無損檢測技術近年來受到了國內外學者的廣泛關注[1-2]。無損檢測技術（Nondestructive Determination Technology，NDT）是不破壞試驗物料的前提下，評價其品質的方法。NDT檢測技術一般有近紅外光譜分析技術、高光譜檢測技術、太赫茲光譜技術、計算機視覺檢測技術、聲學特性檢測技術、力學特性檢測技術、X射線檢測技術、核磁共振檢測技術、介電特性檢測技術等。目前水果的無損檢測主要是利用電學特性檢測技術、聲學特性檢測技術、光學特性檢測技術、聲波振動特性、太赫茲光譜技術、核磁共振檢測技術、X射線檢測技術、電子鼻、機器視覺檢測技術等對水果品質進行評價[3-5]。基于果品介電特性的無損檢測主要是基于水果的介電常數、阻抗、電阻等電學參數，來判斷其硬度、成熟度、糖度、水分等果品品質的檢測技術。電學參數的測定快捷、靈敏、操作方便，對實現水果的內部品質綜合指標的檢測與分級、加工及貯藏都有很重要的價值，特別是在果品的分選上具有廣闊的前景。

1 基于果品介電特性無損檢測技術

1.1 基于果品介電特性無損檢測理論基礎

水果是介于導體和絕緣體之間的電介質，其內部存在大量帶電粒子形成生物電場，在外加電場中水果內部分子中的束縛電荷（只能在分子線度范圍內運動的電荷）的極化都伴隨著內部電子、原子或分子隨電場方向的移動或轉動，這些極化現象決定了水果具有的介電特性。物質的復介電常數反應了其介電特性。其中相對介電常數εr′反應了物質貯存電場能量的能力，介質損耗因素εr″反應物質消耗電場能力的能力，損耗正切tanδ反應了能力損耗特性[6-7]。水果體內自身由于具有能量會產生生物電。水果所具有的生物電包括損傷電位（生物組織的完整部位與損傷部位的電位差）、膜電位（生物組織或細胞膜的內外電位差）、動作電位（當生物體受到刺激而興奮時產生的電位變化）。在電場作用下，水果介電特性與其結構、組成成分以及品質等存在必然的聯系。因此，水果介電特性為實現其品質的無損檢測提供了可能[8-9]。

1.2 介電特性參數測試系統及比較

介電特性測量技術[10]主要有平行極板（電容器）技術、同軸探頭技術、傳輸線技術、自由空間法和諧振腔技術等。測試技術系統的選擇主要取決于測試材料，頻率、精度以及操作的方便性及價格等[11]。常用介電特性測試技術系統比較如表1所示[10]。

表1 介電特性測試技術系統比較Table1 Comparation of dielectric properties testing technology systems

2 果品內在品質對介電特性參數的影響

2.1 成熟度的影響

成熟度對水果分選、分級以及保鮮具有重要的意義，是水果品質評價的重要指標之一。果實成熟的過程中，內部都會發生一系列生理、生化變化，通常伴隨著物質和能量的轉換，從而導致水果生物組織中各類物質所帶電荷在空間分布上的變化，在外加電場的作用下，將呈現不同的介電特性。劉亞平等[12]在0.1 kHz的最佳測試頻率下，對經采后失水處理的紅地球葡萄果實在冷藏中的電學參數進行了研究，結果表明，電學參數與質地參數呈現較高相關性，其中電抗X與硬度顯著相關性（P﹤0.05）。安慧珍等[13]研究了蘋果儲藏期介電特性與生理特性之間的關系，在39.8、100、398、1 000、3 980 KHz5個頻率點下，富士蘋果的Z、X、Ls、Rs值與可滴定酸正相關，Z和X與可滴定酸相關性均達到極顯著水平（P﹤0.01）。陳志遠等[14]發現在番茄果實電參數的最佳測試頻500 kHz～5MHz范圍內，頻率較低時，可根據等效電阻的差異來判斷西紅柿的成熟度；在合適的測試頻率下，復阻抗（Z）和相對介電常數（ε）可作為判斷番茄成熟度的指示參數。M.Soltani等[15]采用有效電容法去除電極板間空氣間隙后利用平板（電容）技術對香蕉的成熟度進行了評價。結果表明，在100 kHz下能更好的用介電常數來預測香蕉的成熟度，并且隨著頻率的成熟度的增加，香蕉的介電常數不斷減小。李元祥[16]用ANSYS仿真軟件形象地模擬了平行板電容器邊緣效應的存在，分析、計算得到了求解任意外形尺寸參數的被測樣品（電介質）本身介電特性參數值的公式，提出一種準確測量被測樣品本身介電特性參數值的算法。以此算法對蘋果試驗結果表明，利用介電特性無損檢測方法來評定果品的品質在原理上和技術上都具有可行性。

2.2 水果硬度的影響

硬度（Firmness）同樣影響著其水果的介電特性。硬度是反映果肉抗壓力的強弱重要參數，可以作為判斷水果品質的一個重要指標。傳統的檢測方法是M-T戳穿試驗（Magness-Taylor puncture test）、組織壓縮試驗及固有頻率測定，不僅會損傷待檢樣本，很難進行大量樣本的逐個檢測。唐燕等[17]研究表明油桃果實的電參數Cp和硬度之間的相關性達到極顯著水平（P＜0.01），并對其建立了有效的預測模型。王瑞慶等[18]利用阻抗、電容、電感、電導模型對火柿硬度進行預測，決定系數（r2）分別可達到0.803、0.747、0.810和0.692，利用電感、電容建立的多元線性回歸模型對硬度預測，r2=0.824，利用阻抗和電感線性分段預測模型對硬度預測，r2分別為0.823和0.829。邵曉蕾等[19]應用主成分分析方法，通過求取各相關系數的加權平均值，從而定量篩選出能夠反映尖柿果實采后品質的特征頻率（398 kHz），并以此頻率研究了尖柿介電特性與品質的關系，發現阻抗可以反映果實的硬度。

2.3 組成成分的影響

水果的介電特性取決于其化學組成成分，其中水分為影響水果介電特性的主要因素。除受水的影響，水果中的其他成分如可溶性固形物含量同樣影響著其介電特性。Nelson等[20]在10MHz～1.8GHz頻率范圍內對西瓜、甜瓜、蘋果等多種果實的介電特性進行了研究，發現介電常數與相對介電常數與可溶性固形物的比值的相關性很大。馬曉明等組成的研究小組[21]以LCR測試儀在90 KHz下對寧夏靈武長棗內部品質檢測的結果表明串聯等效電阻隨糖度增加呈下降趨勢隨糖度增高而速率變化逐漸放緩，利用曲線擬合回歸分析，得到的R2=0.561 9，說明糖度與串聯等效電阻之間存在一定的相關性。郭文川等[22]利用末端開路的同軸探頭和阻抗分析儀，研究了密瓜的射頻介電特性及其與糖度的關系，結果顯示，在1.8GHz下蜜瓜汁的損耗角正切與糖度有較好的相關性，該研究為基于介電特性的果汁糖度檢測儀的開發提供了研究基礎。Kato[23]通過實驗測定了西瓜含糖量與等效電阻及含糖量與電導率之間的關系。Ryszard等[24]以獲得粘稠蘋果汁的濃度系數為目的，測定了等效電阻與等效電容，進而得到蘋果的糖度。

3 外在條件對果品介電特性參數的影響

3.1 測試頻率的影響

除了一些具有極低損耗的材料外，大多數材料的介電特性受其所在電場中頻率的影響。在電場中介質的極化都伴隨著內部電子、原子、分子跟隨電場方向的移動或轉動，而這種極化運動往往使材料的介電特性表現出頻率依賴性[25]。在低頻段（＜200MHz）離子導電性起主導作用，而在微波頻段離子導電性與自由水的偶極子轉動同時發揮重要作用。例如在200MHz下芒果的介電色散主要受離子導電性的影響，引起了其介電特性的頻率依賴性[26]。Nelson[27-29]在10MHz～1.8GHz的頻率范圍內，用阻抗分析儀測量了胡蘿卜、葡萄、香蕉、香瓜、蘋果、黃瓜、和橙子等9種水果切片和蔬菜樣品的介電常數和介電損耗因子，結果表明不同的水果其介電特性存在很大的差異，果蔬的介電常數從10MHz～1.8GHz范圍內不斷下降。研究指出低頻下導致果蔬組織介電特性差異的原因可能在于離子的傳導和束縛水的松弛，而在高端頻率下出現差異的原因在于自由水的松弛。王瑞慶等[30]在100Hz～5MHz范圍內通過實驗發現，紅巴梨的阻抗和電感隨著測試頻率升高呈冪函數關系遞減，電容和電導呈不規則變化，最佳測試頻率為1MHz。果實阻抗、電感和電容可以作為標志紅巴梨果實成熟衰老的電學指標。Ikediala等[31]對蘋果的研究表明，在30MHz～3GHz頻率范圍內，隨著頻率的增加，介電常數減小，最小的介質損耗因子出現在915MHz。馬曉明等[21]組成的研究小組采用LCR電橋測量儀和平板電極系統對靈武長棗頻率特性的研究表明，特征頻率的篩選是果品電特性的測量的重要環節，果實組織結構不均一性，電場對果肉細胞穿透能力差異和介電損耗的主導因素變化是影響果實電參數頻率特性的主要原因。

3.2 環境溫度的影響

環境溫度會影響果品組織內部帶電粒子的運動，因而對其介電特性具有顯著的影響[2]。溫度對果品介電常數的影響取決于許多因素，如組成成分、水分、鹽分以及頻率[10]。這樣受溫度影響的被測樣品的介電常數相當復雜。對于不同的測試樣品，隨著溫度的變化介電常數或上升或下降。通常認為，隨溫度的升高，低頻下損耗因子不斷增加，在高頻段下則不斷減少。這主要是在低頻段粒子傳導決定機電行為，但是在高頻段時，自有水中偶極子的松弛似乎控制著介電行為[2]。該結論在Nelson對9中果蔬在5℃～95℃環境下測試的結果得到了驗證[27]。王瑞慶等[32]利用LCR儀和平板電極在100Hz～3.98MHz頻率范圍內測試了火柿果實電學參數的溫度特性。結果表明，火柿果實阻抗、電容和電感在0℃～40℃范圍隨溫度變化顯著（P﹤0.01），呈線性相關，決定系數r2分別為0.995、0.992和0.995。杜光源等[33]研究了嘎拉蘋果從0℃升溫至室溫（25℃）條件下果實電參數的影響。結果表明：在所測試的24個頻率下，Z、Ls和Rs值的變化趨勢相同，都隨溫度的升高而減小。而Cs值則隨溫度的升高而增大。

3.3 貯藏時間的影響

果品的貯藏時間及成熟進程會影響其介電特性[10]。Guo、Nelson等[34]以10MHz～1 800MHz的頻率測試了新鮮蘋果在24℃下以及在4℃貯藏環境，貯藏10周的介電特性，以期確定是否可以用介電特性參數評價蘋果的品質。在冰箱貯藏期間，介電常數和損耗因素基本保持恒定。SoSa-Morales等[26]在21℃環境溫度下，分別對芒果分別貯藏了0、4、8、16 d，并檢測了芒果的介電特性。結果表明，隨著貯藏時間的延長，εr′和εr″值均降低，降低的原因主要是由于隨著貯藏時間的延長，芒果的水分在降低而pH在上升；在貯藏時間內，隨著貯藏環境溫度的上升，芒果的電導率在上升。王瑞慶等[30]在紅巴梨上的研究表明，果實復阻抗、并聯等效電感隨貯藏時間的延長顯著下降，而相對介電常數、電導顯著上升。

4 結論與展望

1）基于介電特性方法評價果品品質在原理上和技術上都具有可行性。基于果品無損檢測技術的研究，為實現果品品質的在線迅速檢測提供了可能，在果品的加工分選、貯藏運輸方面具有廣闊的應用前進。由于水果種類繁多，而目前的研究僅集中于西瓜、甜柿、甜瓜、獼猴桃、葡萄、蘋果、蜜瓜、芒果、尖柿、番茄等少數幾種水果，不具有代表性。而同時每種水果品質品質間的差異和主要成分對介電特性的影響也是顯而易見的，影響了這一技術的實用化進程。

2）研究水果的介電特性與內部品質的關系對于果品內部品質檢測具有重要的意義。但是基于介電特性的水果無損檢測系統還沒有達到實用階段，其分選精度和分選效率仍然受到很大的限制。特別是國內常用的平行板（電容器）測試系統，往往受邊界效應、果品的形狀個體差異等干擾因素影響，造成數據漂移，影響了測試精度。去除平行板電容器空氣間隙、邊界效應等對測試精度的影響，對于提高測試精度，促進果品無損檢測技術的實用化具有積極的意義。

3）水果特征頻率的篩選，直接影響著基于介電特性果品無損檢測技術的應用。但是由于資金費用的限制，國內對水果介電特性的檢測主要以平行板（電容器）技術為主，測試頻率有限，一定程度上影響了研究結果。國外常用的同軸探頭技術、諧振腔技術，盡管儀器的價格比較昂貴，但測試頻率范圍寬，而其研究結果對于射頻技術及微波技術在食品和農產品中的應用具有直接的指導意義，因此，進一步的研究需采用更寬的頻率范圍包括射頻頻段以分析檢測水果品質的可能性。

4）溫度對果品的介電特性有較大的影響，因此，保持無損測試環境恒定的溫度至關重要。溫度影響著果蔬貯藏過程的生理變化、品質變化，基于果品介電特性的無損檢測技術，為監督果品的貯藏保鮮過程的品質變化，實現果品采后后處理——射頻加熱、微波殺菌提供了技術支持。

5）果品的介電特性無損檢測研究主要涉及到特征頻率的確定、敏感電參數的確定和電參數與果品品質之間的關系研究方面。不同的測試頻率、敏感電參數與果品品質的相關性存在較大的差異，主成分分析、相關系數法等數學統計方法的應用，使其評價更客觀、更準確，提高了基于果品介電特性無損檢測的科學性、可靠性和準確性。而用數學方法建立的果品介電特性數學模型，為開發設計果品品質的相關儀器設備奠定了基礎。

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Review of Fruit Nondestructive Testing Technology Research Based on the Dielectric Characteristics

ZHOU Shi-ping，ZHANG Hai-hong*，LI Hai-feng，MA Qi-hu
（Agricultural College，Ningxia University，Yinchuan 750021，Ningxia，China）

Nondestructive testing technology has become the developing trend of fruit quality detection.The latest research progresses on fruit nondestructive testing based on the dielectric properties were reviewed in this paper.The commonly used testing technologies and their conditions were compared.The external factors，such as frequency，temperature，storage time etc.，which influence fruit dielectric properties，were analyzed.The internal factors such as fruit ripeness，hardness，composition and so on，which influence fruit dielectric properties were compared.The research trends in this field were described and could provide the reference for the further research and application in the future.

fruit；dielectric characteristics；nondestructive testing

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.01.034

2013-07-15

國家科技支撐項目（2012BAF07B00）；國家自然科學基金（31160346）

周世平（1988—），男（回），寧夏大學在讀碩士研究生。

*通信作者：張海紅，女（漢），教授，碩士研究生導師，主要從事農產品的無損檢測及食品物性方面的研究。